一种关闭矿区阶段性形变监测及分析方法

技术领域

本发明涉及雷达遥感以及图像处理技术领域，具体涉及一种关闭矿区阶段性形变监测及分析方法。

背景技术

随着技术的不断发展以及能源结构的调整，煤炭开采从原先的分散式开采逐渐走向精细化、集中化开采，大量产能落后的矿区面临关闭或废弃。这一转变也会带来许多问题，如关闭矿区带来的水污染、环境污染，因此对关闭矿区的后续处理成为急需解决的问题。

现有技术中，一般选择的正在开采的矿区对矿区进行形变监测，然后结合开采推进工作对开采风险做出评估与预计，保证矿区的开采安全有序的进行，而很少对关闭矿区进行形变监测，实际上对关闭矿区进行形变监测可以检测关闭矿区地表的稳定性，同样可以提供很多有价值的信息，对后续关闭矿区的危害评估以及处理方案的制订至关重要。

基于上述问题，现有技术中提出了对关闭矿区进行监测的技术方案，但其在对关闭矿区的分析过程中，是通过整体的形变速率来评估地表的稳定性，没有考虑关闭矿区不同的地表移动阶段对关闭矿区稳定性的影响，导致对关闭矿区的地表稳定性评估不够精细的技术问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种关闭矿区阶段性形变监测及分析方法，用以解决现有技术中存在的对关闭矿区的地表稳定性评估不够精细的技术问题。

本发明提供了一种关闭矿区阶段性形变监测及分析方法，包括：

获取预设时间段内的关闭矿区的多个合成孔径雷达图像；

基于小基线集干涉测量方法对所述多个合成孔径雷达图像进行干涉处理，确定所述关闭矿区在所述预设时间段内的地表形变量和形变速率；

基于所述地表形变量和所述形变速率确定所述关闭矿区的地表移动阶段，所述地表移动阶段包括开始阶段、活跃阶段和衰退阶段；

根据所述地表移动阶段确定所述关闭矿区的稳定性。

在一些可能的实现方式中，所述基于所述地表形变量和所述形变速率确定所述关闭矿区的地表移动阶段，包括：

当所述关闭矿区的地表形变量大于或等于初始形变量，且所述形变速率小于阈值形变速率时，所述关闭矿区的地表移动过程为所述开始阶段；

当所述形变速率大于或等于阈值形变速率时，所述关闭矿区的地表移动过程为所述活跃阶段；

当所述形变速率小于阈值形变速率，或所述地表形变量在阈值时间段内小于或等于阈值形变量时，所述关闭矿区的地表移动过程为所述衰退阶段。

在一些可能的实现方式中，所述基于小基线集干涉测量方法对所述多个合成孔径雷达图像进行干涉处理，确定所述关闭矿区在所述预设时间段内的地表形变量和形变速率，包括：

基于空间基线阈值和时间基线阈值将所述多个合成孔径雷达图像划分为多个小基线集合，所述小基线集合中包括多个合成孔径雷达图像对；

基于最小二乘法确定所述多个合成孔径雷达图像对中各合成孔径雷达图像对的形变时间序列；

基于奇异值分解方法以及所述形变时间序列获得所述关闭矿区在所述预设时间段内的地表形变量和形变速率。

在一些可能的实现方式中，所述基于所述地表形变量、所述形变速率和所述预设的阶段划分规则确定所述关闭矿区的稳定性，包括：

基于地表形变量和所述形变速率判断所述关闭矿区的地表移动阶段是否为所述衰退阶段；

若所述关闭矿区的地表移动阶段为所述衰退阶段，所述关闭矿区稳定；若所述关闭矿区的地表移动阶段为所述开始阶段或所述活跃阶段，所述关闭矿区不稳定。

在一些可能的实现方式中，所述关闭矿区阶段性形变监测及分析方法还包括：

基于所述地表形变量和所述形变速率确定所述关闭矿区的地表移动过程为所述衰退阶段的衰退开始时间；

基于所述衰退开始时间确定所述关闭矿区的矿区关闭时间。

在一些可能的实现方式中，所述关闭矿区阶段性形变监测及分析方法还包括：

获取所述关闭矿区的矿区关闭时间；

基于所述地表形变量、所述形变速率和所述预设的阶段划分规则确定所述关闭矿区的地表移动过程为所述衰退阶段的衰退开始时间；

基于所述衰退开始时间确定所述矿区关闭时间是否合理。

在一些可能的实现方式中，所述关闭矿区阶段性形变监测及分析方法还包括：

获取所述关闭矿区的多类地表地物；

构建所述多类地表地物的潜在损害等级与所述地表移动过程各阶段的对应关系；

基于所述地表形变量以及所述形变速率确定所述地表移动过程的目标阶段；

基于所述目标阶段和所述对应关系确定所述多类地表地物的潜在损害等级。

在一些可能的实现方式中，在所述基于小基线集干涉测量方法对所述多个合成孔径雷达图像进行干涉处理，确定所述关闭矿区在所述预设时间段内的地表形变量和形变速率之后，还包括：

基于全球卫星导航系统水准测量方法获得所述关闭矿区的参考地表形变量；

将所述地表形变量转换为垂直向地表形变量；

根据所述参考地表形变量和所述垂直向地表形变量确定所述地表形变量的精度是否满足精度要求。

在一些可能的实现方式中，所述预设时间段覆盖所述矿区区域的矿区关闭时间。

采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的关闭矿区阶段性形变监测及分析方法，通过基于地表形变量和形变速率确定关闭矿区的地表移动阶段，且基于预设的阶段划分规则将关闭矿区的地表移动过程划分为包括开始阶段、活跃阶段和衰退阶段，可精细化关闭矿区的地表移动过程。并且，通过可基于地表形变量、形变速率和预设的阶段划分规则地表移动阶段确定关闭矿区的稳定性，可提高对关闭矿区地表稳定性评估的可靠性和地表移动过程分析的科学性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的关闭矿区阶段性形变监测及分析方法的一个实施例流程示意图；

图2为本发明图1中S103的另一个实施例流程示意图；

图3为本发明图1中S102的另一个实施例流程示意图；

图4为本发明图1中S104的一个实施例流程示意图；

图5为本发明提供的确定矿区关闭时间的一个实施例流程示意图；

图6为本发明提供的判断矿区关闭时间是否合理的一个实施例流程示意图；

图7为本发明提供的确定关闭矿区的地表损害等级的一个实施例流程示意图；

图8为本发明提供的对地表形变量精度进行验证的一个实施例流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本发明中使用的流程图示出了根据本发明的一些实施例实现的操作。应当理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本发明内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。

附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器系统和/或微控制器系统中实现这些功能实体。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明实施例提供了一种关闭矿区阶段性形变监测及分析方法，以下分别进行说明。

图1为本发明提供的关闭矿区阶段性形变监测及分析方法的一个实施例流程示意图，如图1所示，关闭矿区阶段性形变监测及分析方法包括：

S101、获取预设时间段内的关闭矿区的多个合成孔径雷达(Synthetic ApertureRadar，SAR)图像；

S102、基于小基线集干涉测量(SmallBaselineSubset-InterferometricSynthetic Aperture Radar，SBAS-InSAR)方法对多个合成孔径雷达图像进行干涉处理，确定关闭矿区在预设时间段内的地表形变量和形变速率；

S103、基于地表形变量和形变速率确定关闭矿区的地表移动阶段，地表移动阶段包括开始阶段、活跃阶段和衰退阶段；

S104、根据地表移动阶段确定关闭矿区的稳定性。与现有技术相比，本发明实施例提供的关闭矿区阶段性形变监测及分析方法，通过基于地表形变量和形变速率确定关闭矿区的地表移动阶段，且地表移动过程包括开始阶段、活跃阶段和衰退阶段，可精细化关闭矿区的地表移动过程。并且，通过可地表移动阶段确定关闭矿区的稳定性，可提高对关闭矿区地表稳定性评估的可靠性和地表移动过程分析的科学性。

应当理解的是：多个合成孔径雷达图像为同一轨道数据，预设时间段覆盖关闭矿区的矿区关闭时间，合成孔径雷达图像完全覆盖关闭矿区。

通过设置预设时间段覆盖关闭矿区的矿区关闭时间，合成孔径雷达图像完全覆盖关闭矿区，可确保对矿区区域的稳定性进行分析的可靠性。

需要说明的是：为了减少计算量，提高确定地表形变量和形变速度的效率，在本发明的一些实施例中，在步骤S101之后，还可对多个合成孔径雷达图像进行裁剪，降低合成孔径雷达图像的数据量，进而提高确定地表形变量和形变速度的效率。

还需要说明的是：本发明实施例中的合成孔径雷达图像为经过VV极化的图像。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，步骤S103包括：

S201、当关闭矿区的地表形变量大于或等于初始形变量，且形变速率小于阈值形变速率时，关闭矿区的地表移动过程为开始阶段；

S202、当形变速率大于或等于阈值形变速率时，关闭矿区的地表移动过程为活跃阶段；

S203、当形变速率小于阈值形变速率，或地表形变量在阈值时间段内小于或等于阈值形变量时，关闭矿区的地表移动过程为衰退阶段。

在本发明的具体实施例中，初始形变量为10mm，阈值形变量为30mm，阈值时间段为六个月。

应当理解的是：初始形变量、阈值形变速率、阈值时间段以及阈值形变量均可根据具体矿区进行调整，在此不做一一赘述。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，步骤S102包括：

S301、基于空间基线阈值和时间基线阈值将多个合成孔径雷达图像划分为多个小基线集合，小接线集合中包括多个合成孔径雷达图像对；

S302、基于最小二乘法确定多个合成孔径雷达图像对中各合成孔径雷达图像对的形变时间序列；

S303、基于奇异值分解方法以及形变时间序列获得关闭矿区在预设时间段内的地表形变量和形变速率。

应当理解的是：空间基线阈值和时间基线阈值可根据实际情况进行调整，在此不做具体限定。

其中，基于小基线集干涉测量方法的基本原理为：

假设t

式中，λ为雷达波长，d(t

设干涉处理的各个合成孔径雷达图像对的主、从图像依次表示为：(m

m

则所有的差分干涉相位可以组成如下观测方程：

上式可以矩阵的形式表示为：

Aφ＝δφ

式中，A为系数矩阵，其是一个M×N的矩阵，N+1为合成孔径雷达图像的总个数，δφ为每个差分干涉相位值；φ为每个合成孔径雷达图像的相位值。

最理想的情况是所有的数据被全部分在一组，此时M＞N，矩阵A的秩为N，采用最小二乘法即可求解出φ的估计值：

式中，

当矩阵A的秩小于N时，利用奇异值分解方法来获得地表形变量和形变速率。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，步骤S104包括：

S401、基于地表形变量和形变速率判断关闭矿区的地表移动阶段是否为衰退阶段；

S402、若关闭矿区的地表移动阶段为衰退阶段，关闭矿区稳定；若关闭矿区的地表移动阶段为开始阶段或活跃阶段，关闭矿区不稳定。

本发明实时通过基于关闭矿区所处的地表移动过程确定关闭矿区是否稳定，可提高对关闭矿区稳定性的精细化评估，提高关闭矿区稳定性评估的可靠性。

进一步地，在某些场景中，需要获得关闭矿区的矿区关闭时间，而矿区关闭时间应与衰退阶段的衰退开始时间大致相同，因此，在本发明的一些实施例中，如图5所示，关闭矿区阶段性形变监测及分析方法还包括：

S501、基于地表形变量和形变速率确定关闭矿区的地表移动过程为衰退阶段的衰退开始时间；

S502、基于衰退开始时间确定关闭矿区的矿区关闭时间。

本发明实施例通过基于衰退开始时间确定关闭矿区的矿区关闭时间，可为矿区关闭时间提供一种获得方法，便于获知矿区关闭时间。

更进一步地，在另一些应用场景中，需要评估关闭矿区的矿区关闭时间是否合理，鉴于矿区关闭时间应与衰退阶段的衰退开始时间大致相同，因此，在本发明的一些实施例中，如图6所示，关闭矿区阶段性形变监测及分析方法还包括：

S601、获取关闭矿区的矿区关闭时间；

S602、基于地表形变量和形变速率确定关闭矿区的地表移动过程为衰退阶段的衰退开始时间；

S603、基于衰退开始时间确定矿区关闭时间是否合理。

应当理解的是：步骤S603具体为：判断衰退开始时间和矿区关闭时间的差值是否大于阈值差值，若衰退开始时间和矿区关闭时间的差值大于阈值差值，则矿区关闭时间不合理，若衰退开始时间和矿区关闭时间的差值小于或等于阈值差值，则矿区关闭时间合理。

为了提高对关闭矿区的地表损害进行评估的精细性，在本发明的一些实施例中，如图7所示，关闭矿区阶段性形变监测及分析方法还包括：

S701、获取关闭矿区的多类地表地物；

S702、构建多类地表地物的潜在损害等级与地表移动过程各阶段的对应关系；

S703、基于地表形变量以及形变速率确定地表移动过程的目标阶段；

S704、基于目标阶段和对应关系确定多类地表地物的潜在损害等级。

在本发明的具体实施例中，关闭矿区的包括三类地表地物，分别为公路、建筑物和耕地，则步骤S702的对应关系如表1所示：

表1 潜在损害等级与地表移动过程各阶段的对应关系

通过上述对应关系，可获知各类地表地物在当前地表移动过程各阶段中的潜在损害等级，可供工作人员参考，实现对关闭矿区的潜在损害的精细化评估，提高关闭矿区的安全性和可靠性。

为了避免当基于小基线集干涉测量方法确定的地表形变量和形变速率不准确时，造成对关闭矿区可靠性评估不准确的技术问题，在本发明的一些实施例中，如图8所示，在步骤S102之后，还包括：

S801、基于全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)水准测量方法获得关闭矿区的参考地表形变量；

S802、将地表形变量转换为垂直向地表形变量；

S803、根据参考地表形变量和垂直向地表形变量确定地表形变量的精度是否满足精度要求。

应当理解的是：当地表形变量的精度满足精度要求时，才进行步骤S103。

本发明实施例通过基于GNSS水准测量方法获得的参考地表形变量对地表形变量的精度进行验证，可提高地表形变量的可靠性，进而提高对关闭矿区进行可靠性评估的准确性。

在本发明的具体实施例中，步骤S802中的转换公式为：

H＝D/cosθ

式中，H为垂直地表形变量；D为地表形变量；cosθ为SAR图像的雷达入射角。

应当理解的是：地表形变量为视线向形变量。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件(如处理器，控制器等)来完成，计算机程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上对本发明所提供的关闭矿区阶段性形变监测及分析方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。